《Heredity》：Signatures of repeated genomic selection associated with human-modified landscapes in genetically independent populations of Rhinella horribilis
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人类活动塑造的景观对野生动物构成快速进化选择压，但物种适应性进化机制尚不明确。研究人员通过对墨西哥两处人类改造景观中巨型蟾蜲（Rhinella horribilis）种群进行景观基因组学分析，识别了候选SNP位点，评估了基因型-环境关联（GEA），并检测到基因组层面的重复选择信号。研究发现，蟾蜱对次优气候和水体理化条件存在积极的基因型-环境关联，与胚胎发育、性成熟和免疫反应相关的基因在两地景观中显著富集，揭示了其对人类改造环境快速适应性反应的基因组基础。
想象一下，在墨西哥南部连绵起伏的山地，人类数百年的传统农业和集约化农牧业活动深刻改变了土地面貌。森林被农田、牧场和城镇取代，水体受到径流污染，形成了独特的、充满挑战的“进化场景”。对于生活在这里的野生动物，如巨型蟾蜱（Rhinella horribilis），高温、强日照、水体低氧和高盐离子浓度等“次优”环境条件，构成了多重自然选择压力。在这样的背景下，一个紧迫的科学问题浮现出来：这些野生动物是如何快速适应这种剧烈变化的生态环境的？它们是否存在共同的、可重复的基因组适应性响应？这些问题对于理解物种在人类世背景下快速进化和存续至关重要。
为了解决上述问题，由Soria-Ortiz等人领导的研究团队，在《Heredity》期刊上发表了一项研究，他们聚焦于墨西哥瓦哈卡州Sierra Madre del Sur（SMS）地区的两个人类改造景观中的巨型蟾蜱种群。研究人员采用了一种综合性的景观基因组学分析框架，旨在探究这两个遗传独立、但环境压力相似的蟾蜱种群，是否展现出可重复的基因组选择信号。具体而言，他们希望：（1）在两个景观中分别识别潜在的、受选择影响的候选单核苷酸多态性位点（SNPs）；（2）评估这些候选位点与多种气候和水体理化变量之间的基因型-环境关联（GEA）；（3）注释候选基因，并确定哪些生物功能和代谢通路被富集；（4）检验两个景观之间是否存在重复的基因组选择信号（即相似的生物功能/代谢通路被选择）。研究团队预测，基于R. horribilis的生活史特征，其应存在与次优环境条件耐受性相关的积极基因型-环境关联，这有助于其在人类改造生境中的局部适应。
为了开展这项研究，研究人员运用了以下关键技术方法：首先，在两个人类改造景观（P1O和P2O）中共采集了190只R. horribilis成体样本，并测量了多个气候（如环境温度AT、太阳辐射SR）和水体理化变量（如水温WT、钾离子K浓度、氧利用率OA）。其次，对全部样本进行了双酶切限制性位点相关DNA测序（ddRAD-Seq），获得了覆盖基因组24倍的SNP数据，经过严格质控后得到两个景观的最终数据集。在数据分析阶段，研究人员结合了三种互补的统计方法——冗余分析（RDA）、潜因子混合模型（LFMM）和主成分适应方法（PCAdapt）——以识别候选SNPs，并采用至少两种方法重叠的策略来提高结果的可靠性。为了评估重复选择信号，研究人员将候选SNP集和作为对照的中性SNP集分别与各自景观的环境变量进行RDA分析，并比较交叉验证的结果。最后，对位于候选SNPs区域的基因进行功能注释，并通过富集分析（GO和KEGG）和Chyper指数评估两个景观间基因和功能的重复程度。
研究结果
1. 候选SNP的识别与基因型-环境关联
通过交叉验证三种方法（LFMM、RDA、PCAdapt）的结果，研究人员最终在两个景观中分别确定了609个（P1O）和237个（P2O）高置信度候选SNP。基因型-环境关联分析显示，这些候选SNP与多种环境变量显著相关。在P1O景观中，候选SNP更多地与水体温和钾离子浓度等水体理化变量相关；而在P2O景观中，则更多地与太阳辐射和氧利用率等气候变量相关。这一差异可能与两个景观具体的人为改造特征（如农业径流污染程度、植被覆盖差异）有关。
2. 重复选择信号的评估
通过一系列RDA验证实验，研究人员发现，从每个景观中鉴定出的候选SNP集能够最好地解释其自身景观的环境变异（解释率分别为58%和85%）。而当用P1O的候选SNP去解释P2O的环境变量，或反之，解释率显著降低。更重要的是，超几何检验表明，与相同环境变量相关的候选SNP数量在两个景观间的重叠并非随机，说明R. horribilis在独立的环境压力下产生了相似的基因组响应。相反，使用中性或随机选择的SNP集，则无法有效解释环境变异，排除了结果由随机因素或样本量大小导致的假阳性可能。
3. 功能注释与基因-环境关联
功能注释将候选SNP定位到特定的基因区域，在P1O和P2O景观中分别注释到385个和248个基因。其中，共有34个基因在两个景观中共享，表明这些基因可能在适应相似选择压力中扮演共同角色。对这34个共享基因的富集分析揭示了七个基因在特定生物功能和代谢通路中显著富集。这些功能与通路主要分为三类：
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胚胎发育相关：最主要的生物学过程是“NOTCH信号通路”，其富集的基因（如NEUROD1、TCIM）与神经和肌肉细胞分化相关。MAPK信号通路和VEGF信号通路也被显著富集，它们分别参与细胞增殖、分化、应激反应以及血管生成和器官发生。
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免疫反应相关：富集的KEGG代谢通路包括C型凝集素受体（CLR）信号通路、NOD样受体信号通路和RIG-I样受体信号通路，这些都属于模式识别受体（PRR），是先天免疫系统识别病原体（如真菌、病毒）的关键组分。
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性成熟相关：下丘脑促性腺激素释放激素（GnRH）信号通路也被富集。
基因-环境关联分析进一步将这些富集的基因/通路与特定的环境因子联系起来。例如，与NOTCH通路和MAPK通路相关的基因位点，与水体高钾离子浓度、高水温呈正相关，而与低氧利用率呈负相关。与NOTCH通路相关的NEUROD1基因位点则与高太阳辐射呈正相关。Chyper指数分析表明，两个景观在功能水平上的重叠是显著的，其重叠程度是随机预期的两倍，有力地支持了重复适应信号的存在。
研究结论与讨论
本研究为理解两栖类在人类改造环境中的进化提供了重要见解。结论表明，在墨西哥Sierra Madre del Sur地区两个独立的人类改造景观中，巨型蟾蜱（Rhinella horribilis）种群表现出了可重复的基因组选择信号。这些信号体现为种群对相似的、次优的环境条件（如高太阳辐射、高水温和高钾离子浓度）产生了积极的基因型-环境关联。尤为重要的是，研究发现了在两个景观中共同被选择的基因，这些基因显著富集于NOTCH、MAPK、VEGF等胚胎发育相关通路，以及涉及CLR、NOD样受体等的先天免疫相关通路。
讨论部分强调了这项研究的意义。首先，它证实了“重复基因组进化”的存在，即独立谱系在应对相似选择压力时倾向于利用相同的基因。这为“进化具有可预测性”的观点提供了基因组层面的证据。其次，研究将特定的环境压力与具体的分子通路联系起来，构建了从“环境选择压”到“基因组变异”再到“潜在生理/发育表型”的适应性假设链条。例如，上调的NOTCH和MAPK信号可能有助于应对水体污染和低氧压力，加速胚胎发育和组织修复；而上调的CLR等模式识别受体则可能增强了种群在受干扰生境中抵御病原体（如蛙壶菌）的能力。高太阳辐射与NOTCH通路的关联，则提示了该通路可能在皮肤光保护和色素沉着中起作用，以应对开阔生境的强日照。这些发现揭示了R. horribilis作为一种能在人类改造环境中繁盛的“耐受物种”，其背后潜在的、多层面的基因组适应机制。
这项研究采用严谨的景观基因组学复现设计，有效降低了假阳性信号，增强了结论的可靠性。它表明，尽管人类活动对环境造成了巨大压力，但一些物种能够通过利用其种群内现存的遗传变异，在相对较短的时间内实现快速的局部适应。这对于评估和预测物种在未来持续人为干扰下的生存能力和进化轨迹具有重要价值。
